一种基于可变刚度柔性机构的力控制模块制造技术

一种基于可变刚度柔性机构的力控制模块，属于机械加工技术领域。包括壳体、置于壳体两端的盖板、柔性机构、压电驱动器、预紧钢球及传感器，所述柔性机构置于壳体两盖板之间，柔性机构两端与盖板间分别设置压电驱动器，所述盖板与压电驱动器间设有预紧钢球，所述传感器置于柔性机构的输出端。本实用新型专利技术在接触式的操作过程中，其刚性是主动式可变的，对于作用在物体上的接触力和操纵器的位移就可以单独进行控制。本实用新型专利技术具有高精度、高动态反应性能，这种高性能执行机构也可作为一个附加模块为传统位置控制系统提供高性能的动作和直接力控能力。（*该技术在2024年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
一种基于可变刚度柔性机构的力控制模块
本专利技术属于机械加工
，特别是涉及一种基于可变刚度柔性机构的力控制模块。
技术介绍
对于需要主动力控的接触式操作，例如磨削和去毛刺，现在可以通过使用工业化的执行机构和附加的终端模块来实现。最近许多公司(像ABB, Fanuc, Pushcorp, ATI)已经把力控特性整合到其现有的产品中。ABB和Fanuc公司就是通过每个关节处的伺服电机和齿轮箱来实现对接触点的力控的，其他的则是通过包含气动执行机构的附加终端模块来实现力控的。但是这些力控操作都是通过位置控制来实现的，存在着精度低和反应迟滞等问题。 对于接触式操作的力控性能，有效的任务空间惯量在其中扮演了一个很重要的角色。例如，降低空间惯量可以提高力控的带宽，同时可以减小从空程到约束动作的冲击力。以下为对当前力控解决方案存在的问题进行论述: 商业机器人系统如工业机械手通常使用各个关节处的力矩执行器来产生操作点所需的接触力。由于关节执行器需要对连杆重量和非线性关节干扰因素(如关节摩擦力)进行补偿，导致所需的关节力/力矩大于直驱伺服执行器所能提供的最大力/力矩，由此，变速箱被用来提高关节伺服执行器所能提供的力/力矩。虽然变速箱的解决方案对大多数动作控制应用都有效，但不足之处是变速箱引入了非线性干扰因素(如关节摩擦力和关节的挠性变形)，同时变速箱提供的有效惯量同变速比的平方根成正比，因此就需要提供较高的任务空间惯量，这样导致冲击力(从自由运动到约束运动)很高，可能导致工件或者机器人系统的损坏。伴随着较高任务空间惯量的另一个问题是系统的动态响应变低，这就不适用于大多数交互式的任务。在当今商业机器人系统里广泛应用的对于高冲击力的解决方案是在靠近约束区域的时候限定机器人的速度，这个方法通常是要花费大量的时间和精力来对机器人系统进行离线示教，而且这种方法只适用于有规律的环境中。这种离线示教所需要的工作量是非常大的而且低响应存在于大多数商业化机器人系统中，如ABB，Fanuc等等。 由于现存的大部分工业机器人系统都是基于位置的系统，可以通过一个附加的模块来实现力控能力，进而扩展了系统在接触式操作中的能力。现有的商业话解决方案由PushCorp, ATI等公司以气动或液压的形式提供。虽然这些方案可以让传统的工业机器人具备力控的能力，但是较慢的反应时间这个问题依然存在，尤其是在需要更高接触力的时候就变得尤为突出。 对于可调的被动服从式或者是可变刚度机构，现今有很多的实现方式。但是这些方式都是使用宏观结构和传统马达，因此这些机构往往是很笨重的，而且刚度的变化速度也是很迟缓的，因为负责调节刚性的齿轮传动马达的惯量很大。这些限制导致他们不适用于接触式机加过程中的交互式力控,这个过程中需要10Hz或者更高的带宽。
技术实现思路
针对上述存在的问题，本专利技术提供一种闻精度、闻动态反应性能的的基于可变刚度柔性机构的力控制模块。这种高性能执行机构也可作为一个附加模块为传统位置控制系统提供高性能的动作和直接力控能力。 本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的: 本专利技术包括壳体、置于壳体两端的盖板、柔性机构、压电驱动器、预紧钢球及传感器，所述柔性机构置于壳体两盖板之间，柔性机构两端与盖板间分别设置压电驱动器，所述盖板与压电驱动器间设有预紧钢球，所述传感器置于柔性机构的输出端。 进一步地，所述柔性机构包括至少两排、两列纵横交错的弹片和输出轴，所述输出轴连接于纵横交错的整体弹片之间，输出轴上设置有传感器；两横向弹片端部分别与压电驱动器接触。 进一步地，所述两排横向弹片间留有的距离为弹片长度的十分之一至二分之一，每个弹片的宽度为弹片长度的十分之一至三分之一。 进一步地，所述输出轴端还设置有连接法兰。 进一步地，所述盖板上设置有容置预紧钢球的凹槽。 进一步地，所述盖板与壳体之间留有调整间隙，通过预紧螺栓调整。 本专利技术的有益效果为: 本专利技术在接触式的操作过程中，其刚性是主动式可变的，这样对于作用在物体上的接触力和显微操纵器的位移就可以单独进行控制。 本专利技术应用压电驱动器来改变柔性机构的刚度，由于压电驱动器具有极高的动态响应性能和高输出力，因此具有高精度、高动态反应性能，可用于需要接触力控制的制造过程(如去毛刺，倒角，磨削，钻孔和铣削加工)。这种高性能执行机构也可作为一个附加模块为传统位置控制系统提供高性能的动作和直接力控能力。例如工业执行机构和CNC机床，由此可令这些传统系统获得力控加工能力而不需要进行整体更换。且本专利技术具有反应迅速，结构简单，能耗低，可同比例放大或缩小以满足不同应用需求。 本专利技术中的柔性结构具有以下优点:①可减少构件数目，无需装配，从而降低了成本；②无需铰链或轴承等运动副，运动和力的传递是利用组成它的的某些或全部构件的变形来实现；③无摩擦，磨损及传动间隙，无效行程小，且不需要润滑，可实现高精度运动，避免污染，提高寿命；④可存储弹性能，自身具有回程反力。⑤易于小型化和大批量生产易于和其他非机械动力相匹配。 【附图说明】 图1是本专利技术的结构示意图。 图2本专利技术的力控系统原理图。 图3是本专利技术安装在打磨机器人上的结构示意图。 图中:1.盖板，2.预紧螺栓，3.预紧钢球，4.压电驱动器，5.传感器，6.法兰，7.输出轴，8.柔性机构，9.壳体，10.机器人手臂，11.主轴，12.磨削刀具。 【具体实施方式】 下面通过实施例和附图对本专利技术作进一步详述。 实施例:如图1所不，本专利技术包括壳体9、置于壳体9两端的盖板1、柔性机构8、压电驱动器4、预紧钢球3及传感器5，所述柔性机8构置于壳体9两盖板I之间，柔性机构8两端与盖板I间分别设置压电驱动器4，所述盖板I与压电驱动器4间设有预紧钢球3，所述传感器5置于柔性机构8的输出端。 所述柔性机构8包括至少两排、两列纵横交错的叶形弹片和输出轴7，输出轴7上设置有传感器5 ;所述所述输出轴7连接于纵横交错的整体叶形弹片之间，两横向叶形弹片端部分别与压电驱动器4接触。所述输出轴端7还设置有连接法兰6。所述两排横向弹片间留有的距离为弹片长度的十分之一至二分之一，每个弹片的宽度为弹片长度的十分之一至三分之一。所述盖板I上设置有容置预紧钢球3的凹槽。所述输出轴7端还设置有连接法兰6。 所述盖板I与壳体9之间留有调整间隙，通过预紧螺栓2调整。 本专利技术的工作原理: 本专利技术主要用于精密快速力控操作，是在机器人手臂或操作机械前端增此专利技术可变刚度柔性机构力控模块。柔性机构一般是指通过其部分或全部具有柔性的构件变形而产生位移，传动力的机械结构。 本专利技术机构是通过基于叶形弹片的柔性机构及施加在同平面内的合适的压力来实现的。叶形弹片(图1中柔性机构8号零件中所示的薄片结构)是一种细支梁结构，当法向外力施加在其上的时候，就会弯曲变形同时产生线性位移，是常用的柔性机构基本构件之一。当切向力张力施加在叶形弹片上，其内部应力会发生改变，其所表现出来的弯曲刚度会增加，同理当切向压缩力施加在细支梁上，其弯曲刚度就会减少。刚度可变的柔性机构意味着其内部刚度可以不随外部位置的改变而单独改变，基于这种工作方式，其柔性关节的机械特性是可调整的。 本例中柔本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于可变刚度柔性机构的力控制模块，其特征在于：包括壳体、置于壳体两端的盖板、柔性机构、压电驱动器、预紧钢球及传感器，所述柔性机构置于壳体两盖板之间，柔性机构两端与盖板间分别设置压电驱动器，所述盖板与压电驱动器间设有预紧钢球，所述传感器置于柔性机构的输出端。

【技术特征摘要】
1.一种基于可变刚度柔性机构的力控制模块，其特征在于:包括壳体、置于壳体两端的盖板、柔性机构、压电驱动器、预紧钢球及传感器，所述柔性机构置于壳体两盖板之间，柔性机构两端与盖板间分别设置压电驱动器，所述盖板与压电驱动器间设有预紧钢球，所述传感器置于柔性机构的输出端。2.根据权利要求1所述基于可变刚度柔性机构的力控制模块，其特征在于:所述柔性机构包括至少两排、两列纵横交错的弹片和输出轴，所述输出轴连接于纵横交错的整体弹片之间，输出轴上设置有传感器；两横向弹片端部分别与压电驱动器接触。3....

【专利技术属性】
技术研发人员：赵夙，韩旭，邢春贵，
申请(专利权)人：沈阳远大科技园有限公司，
类型：新型
国别省市：辽宁;21